CN108556420A - 一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法，本发明提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料，包括柔性硅胶基底层、柔性硅胶中间层、聚氨酯表面层和剪切增稠液，所述的柔性硅胶中间层内部设有竖向的通孔，通孔内填充有剪切增稠液，柔性硅胶中间层密封胶粘于柔性硅胶基底层和聚氨酯表面层之间；所述的剪切增稠液为聚乙二醇与纳米SiO2粒子组合液，SiO2粒子在剪切增稠液中的质量分数为35％～65％。本发明基于海豚皮肤自适应智能减阻原理，将仿生自适应结构设计与智能压力感知响应材料有机融合，提供出一种能够对水下的流体环境自主感知、自主适应、自主驱动、自主变形的仿生智能自适应变构减阻材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种减阻材料及其制备方法，特别涉及一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法。
背景技术
所有的船舶或水下航行器都面临一个共性的问题，就是减小阻力以提高机动性和续航能力。船舶或水下航行器在海洋中航行时，由于其和海水流动相互作用，使其表面产生湍流边界层，从而产生速度和压力脉动，形成流体附加阻力，这种边界层摩擦阻力高达水下航行器总阻力的70％～80％，从而导致其航速降低、能耗增加、续航能力下降。根据理论推算，在动力和能源一定的条件下，假如将阻力减小10％，则船舶或水下航行器的巡航速度和航程可以同时增加约3.57％；另外，节约能源消耗也是国家发展的重大战略需求。因此，研制小阻力的功能表面材料，是船舶或水下航行器减阻的热点与抢占的制高点，是解决现有材料与技术发展瓶颈的实际需求。
目前，船舶或水下航行器减阻，各国研究热点多集中在减少边界层摩擦阻力方面，主要减阻技术包括：非光滑形态减阻、低表面能超疏水涂层减阻、柔性壁面减阻、聚合物添加剂减阻与超空泡与微气泡减阻等。其中，非光滑形态减阻和柔性壁面减阻的减阻材料与技术虽然具有一定的减阻能力，但存在结构无法动态调整以适应各流速层阻力变化的问题；涂层减阻技术只在较低的流速时具有减阻能力，随着流速的增加，减阻效果逐渐减小并消失；聚合物添加剂减阻技术只适合短距离一次性使用，不利于工程化应用；超空泡与微泡技术需要额外附加装置才能实现减阻效果，制造成本高，又影响水下航行器的作战效能。因此，由于减阻结构的一层不变，在航行器航速和航深变化时，无法动态适应边界层变化，减阻效果受到了很大制约，造成在船舶或水下航行器减阻方面的提升没有显著优势。
研究海豚能够在水中快速游动发现，当海豚处于快速游动状态时，随着水的阻力增加，海豚皮肤感受到紊流压力变化，皮肤便由光滑形态逐渐变为相应的动态非光滑形态，使皮肤随着紊流作波浪式动态运动，这样就把紊流变成层流，从而减少水的摩擦阻力。对海豚皮肤减阻特性的研究与工程设计由来已久，但是目前现有的设计均是出于对海豚皮肤非光滑结构的“形似”模仿，而无法真正实现仿生海豚皮肤可感知、智能控制、动态自适应减阻设计。
因此，基于海豚皮肤自适应智能减阻原理，将海豚皮肤自适应减阻形态结构、柔性材料等多因素一体制备与智能材料可感知技术有机融合，突破传统整个减阻界面一层不变的“形似”结构设计，实现减阻界面动态自适应、可感知、智能控制的集形态、结构、材料、柔性等多因素一体化的仿生设计与制备，开发出一种新型的仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是解决现阶段减阻材料存在的问题，提供的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法。
本发明提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料，包括柔性硅胶基底层、柔性硅胶中间层、聚氨酯表面层和剪切增稠液，所述的柔性硅胶中间层内部设有竖向的通孔，通孔内填充有剪切增稠液，柔性硅胶中间层密封胶粘于柔性硅胶基底层和聚氨酯表面层之间；所述的剪切增稠液为聚乙二醇与纳米SiO2粒子组合液，SiO2粒子在剪切增稠液中的质量分数为35％～65％。
所述的柔性硅胶基底层的硅胶型号为HC9010，厚度为1mm～5mm，拉伸强度为5MPa～8MPa，断裂伸长率为600％～800％，邵氏硬度为10A～20A。
所述的柔性硅胶中间层的硅胶型号为HC9000，厚度为1mm～30mm，拉伸强度为4MPa～7MPa，断裂伸长率为800％～1000％,邵氏硬度为0A～5A。
所述的聚氨酯表面层的聚氨酯型号为RP8400，厚度为1mm～5mm，拉伸强度为8MPa～15MPa，断裂伸长率为500％～600％，邵氏硬度为5A～10A。
所述的剪切增稠液中聚乙二醇分子量为200～400，SiO2粒子的粒径为20nm～40nm。
所述的柔性硅胶中间层内部通孔为竖向柱状孔，孔内径为0.2mm～10mm，深度为1mm～30mm，按中心距2mm～40mm等距阵列。
所述的柔性硅胶中间层内部通孔也可以为条形槽，所述条形槽宽度为0.2mm～10mm，长度与聚氨酯表面层纵向长度相同，深度为1mm～30mm，按间距1mm～40mm等距阵列。
本发明提供的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料的制备方法，包括以下步骤：
一、制备剪切增稠液
称取分子量为200～400的聚乙二醇和粒径为20nm～40nm的SiO2粒子，所述的聚乙二醇和SiO2粒子的质量百分比分别为35％～65％和35％～65％，采用机械搅拌的方式在聚乙二醇中边搅拌边加入SiO2粒子，搅拌时间3h～5h，搅拌速率30r/min～120r/min，当SiO2粒子全部溶入后，在超声搅拌器中进行超声分散1h～2h，随后在温度30℃～40℃的真空干燥器中进行真空加热干燥2h～3h，得到SiO2粒子质量分数为35％～65％的剪切增稠液；
二、制备柔性硅胶基底层
将液态AB硅胶灌注在深度为1mm～5mm的预制模具中，在温度30℃～50℃条件下凝固5h～12h成型，得到厚度为1mm～5mm的柔性硅胶基底层；
三、制备柔性硅胶中间层
将液态AB硅胶灌注在深度为1mm～30mm的预制模具中，在温度30℃～50℃条件下凝固5h～12h成型，得到厚度为1mm～30mm的柔性硅胶中间层，然后对柔性硅胶中间层进行冲孔，形成内径为0.2mm～10mm、深度为1mm～30mm、按中心距2mm～40mm等距阵列的竖向柱状孔，或形成宽度为0.2mm～10mm、长度与聚氨酯表面层纵向长度相同、深度为1mm～30mm、按间距1mm～40mm等距阵列的竖向条形槽；
四、制备聚氨酯表面层
将液态聚氨酯灌注在深度为1mm～5mm的预制模具中，在温度30℃～50℃条件下凝固5h～12h成型，得到厚度为1mm～5mm的聚氨酯表面层；
五、胶合与封装剪切增稠液
采用压力粘接的方法将步骤三制得的柔性硅胶中间层的底部与步骤二制得的柔性硅胶基底层通过粘接剂进行粘接；然后将步骤一制得的剪切增稠液分别灌注到柔性硅胶中间层的每个孔中；最后采用压力粘接的方法将柔性硅胶中间层的顶部与步骤四制得的聚氨酯表面层通过粘接剂进行粘接，将剪切增稠液封装在柔性硅胶中间层的每个孔中。
步骤二中的AB硅胶型号为HC9010；步骤(3)中的AB硅胶型号为HC9000；步骤四个中的聚氨酯型号为RP8400。
步骤五中所述的压力粘接方法的压力为0.1MPa～1MPa，粘接时间为2min～10min；所述的粘接剂为型号为KD-866的硅胶胶水。
步骤二中所述的预制模具采用3D打印技术制作，步骤三中的冲孔采用机械冲孔技术对柔性硅胶中间层进行成孔，3D打印技术与冲孔技术均为现有技术，因此具体步骤不在此赘述。
本发明的工作原理：
本发明的提供的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料，可以附着于船舶或水下航行器表面，聚氨酯表面层与流体接触，即减阻面；该材料选择柔性基质聚氨酯和硅胶，将其制成柔性硅胶基底层、聚氨酯表面层和具有规则排列的中空孔的柔性硅胶中间层，具有一定的柔性，与海豚皮肤属性相似。柔性硅胶中间层上规则排列的中空孔内灌注有智能液～固转化材料，即由聚乙二醇与高硬度的纳米SiO2粒子组合的剪切增稠液，该剪切增稠液可感知流场、流速和流压，并根据具体情况作出相应变化，将其封装在柔性硅胶中间层上规则排列的中空孔内，在不同流场、流速、流压下，中空孔中的剪切增稠液感受到流体摩擦压力作用时，SiO2粒子会瞬时从最初的杂乱分布状态变化成相互“锁定”的状态，骤然聚集成微粒簇，使剪切增稠液瞬间从柔性状态变成坚固态，此时充满剪切增稠液的中空孔内呈固态状，能够承受流体摩擦压力而不发生形变，没有剪切增稠液的部位由于具有柔软性，受到流体压力时会发生形变，即向下凹陷，继而聚氨酯表面层对应柔性硅胶中间层没有灌注剪切增稠液的部位向下凹陷，使聚氨酯表面层即减阻面从光滑的状态变成非光滑状态，形成规则的凸包纹理或条纹纹理，使聚氨酯表面层即减阻面随着紊流作波浪式动态运动，这样就把紊流变成层流，从而减少水的摩擦阻力；随着流体摩擦压力减小，剪切增稠液逐渐转变成液态，同时柔性硅胶中间层和聚氨酯表面层凹陷的部位逐渐回弹，使聚氨酯表面层即减阻面从非光滑状态变成光滑的状态，随着流体压力的增大或减小，聚氨酯表面层即减阻面形变程度会随着逐渐增大或减小，呈现出海豚皮肤动态自适应变构减阻模式。
本发明的有益效果：
本发明提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料，基于海豚皮肤自适应智能减阻原理，将仿生自适应结构设计与智能压力感知响应材料有机融合，突破传统结构不变的减阻模式，提供出一种能够对水下的流体环境自主感知、自主适应、自主驱动、自主变形的仿生智能自适应变构减阻材料，这种新的仿生减阻设计与材料制备方法使减阻面能够根据水下流体环境自适应变形、变性、变构，不再需要复杂的机械设计促使结构发生变形，实现边界层不同压力与流速下的自适应智能减阻。
突破传统减阻技术在变化流体环境下及超快航速、超远航程、超大潜深等极端苛刻条件下，减阻能力降低和失效的技术瓶颈，实现减阻材料可控性/可控形/可感知/可响应等智能自适应动态变构设计，可实现正常环境与极端环境下全程自适应智能减阻；在不同航速、航深、航压下，产生不同的智能自适应变构减阻模式，使减阻能力大幅提升，这种技术将会以最低的物质和能量消耗获得最大的功能时效。
附图说明
图1为本发明实施例一的局部分解结构示意图。
图2为本发明实施例一的柔性硅胶中间层局部结构示意图。
图3为本发明实施例一在低流压下的局部结构示意图。
图4为本发明实施例一在中流压下的局部结构示意图。
图5为本发明实施例一在高流压下的局部结构示意图。
图6为本发明实施例一局部在变化流压下凸包形变构流程示意图。
图7为本发明实施例二的局部分解结构示意图。
图8为本发明实施例二在低流压下的局部结构示意图。
图9为本发明实施例二在高流压下的局部结构示意图。
1、柔性硅胶基底层2、柔性硅胶中间层3、聚氨酯表面层4、通孔5、凸包。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1-图6所示：
本发明提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料，包括柔性硅胶基底层1、柔性硅胶中间层2、聚氨酯表面层3和剪切增稠液，所述的柔性硅胶中间层2内部设有竖向的通孔4，通孔4内填充有剪切增稠液，柔性硅胶中间层2密封胶粘于柔性硅胶基底层1和聚氨酯表面层3之间；所述的剪切增稠液为聚乙二醇与纳米SiO2粒子组合液，SiO2粒子在剪切增稠液中的质量分数为40％。
所述的柔性硅胶基底层1的硅胶型号为HC9010，厚度为2mm，拉伸强度为7MPa，断裂伸长率为650％，邵氏硬度为12A。
所述的柔性硅胶中间层2的硅胶型号为HC9000，厚度为4mm，拉伸强度为5MPa，断裂伸长率为800％,邵氏硬度为0A。
所述的聚氨酯表面层3的聚氨酯型号为RP8400，厚度为2mm，拉伸强度为6MPa，断裂伸长率为650％，邵氏硬度为5A。
所述的剪切增稠液中聚乙二醇分子量为200，SiO2粒子的粒径为20nm。
所述的柔性硅胶中间层2内部通孔4为竖向柱状孔，孔内径为6mm，深度为4mm，按中心距10mm等距阵列，均匀布满柔性硅胶中间层2。
本发明提供的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料的制备方法，包括以下步骤：
一、制备剪切增稠液
称取分子量为200的聚乙二醇和粒径为20nm的SiO2粒子，所述的聚乙二醇和SiO2粒子的质量百分比分别为60％和40％，采用机械搅拌的方式在聚乙二醇中边搅拌边加入SiO2粒子，搅拌时间4h，搅拌速率90r/min，当SiO2粒子全部溶入后，在超声搅拌器中进行超声分散1h，随后在温度30℃的真空干燥器中进行真空加热干燥2h，得到SiO2粒子质量分数为40％的剪切增稠液；
二、制备柔性硅胶基底层1
将液态AB硅胶灌注在深度为2mm的预制模具中，在温度50℃条件下凝固8h成型，得到厚度为2mm的柔性硅胶基底层1；
三、制备柔性硅胶中间层2
将液态AB硅胶灌注在深度为4mm的预制模具中，在温度50℃条件下凝固8h成型，得到厚度为4mm的柔性硅胶中间层2，然后对柔性硅胶中间层2进行冲孔，形成内径为6mm、深度为4mm、按中心距10mm等距阵列的竖向柱状孔；
四、制备聚氨酯表面层3
将液态聚氨酯灌注在深度为2mm的预制模具中，在温度50℃条件下凝固8h成型，得到厚度为2mm的聚氨酯表面层3；
五、胶合与封装剪切增稠液
采用压力粘接的方法将步骤三制得的柔性硅胶中间层2的底部与步骤二制得的柔性硅胶基底层1通过粘接剂进行粘接；然后将步骤一制得的剪切增稠液分别灌注到柔性硅胶中间层2的每个通孔4中；最后采用压力粘接的方法将柔性硅胶中间层2的顶部与步骤四制得的聚氨酯表面层3通过粘接剂进行粘接，将剪切增稠液封装在柔性硅胶中间层2的每个孔中；
步骤二中的AB硅胶型号为HC9010；步骤三中的AB硅胶型号为HC9000；步骤四中的聚氨酯型号为RP8400。
步骤五中所述的压力粘接方法的压力为0.5MPa，粘接时间为10min；所述的粘接剂为型号为KD-866的硅胶胶水。
将本实施例提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料附着于测试基体表面，在水槽压力实验中，可测得形成仿生智能动态凸包形变构减阻材料在0.8m/s流速下，不同流压下，仿生智能变构凸包5相比于凹陷的部位，突起的高度在0.6mm～1.3mm，实现了压力感知智能变构。经流场阻力实验测试，在0.8m/s流速下，与光滑表面相比，本实施例提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料减阻提升了5％以上。
实施例二
请参阅图7-图9所示：
本发明提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料，包括柔性硅胶基底层1、柔性硅胶中间层2、聚氨酯表面层3和剪切增稠液，所述的柔性硅胶中间层2内部设有竖向的通孔4，通孔4内填充有剪切增稠液，柔性硅胶中间层2密封胶粘于柔性硅胶基底层1和聚氨酯表面层3之间；所述的剪切增稠液为聚乙二醇与纳米SiO2粒子组合液，SiO2粒子在剪切增稠液中的质量分数为50％。
所述的柔性硅胶基底层1的硅胶型号为HC9010，厚度为2mm，拉伸强度为7MPa，断裂伸长率为650％，邵氏硬度为12A。
所述的柔性硅胶中间层2的硅胶型号为HC9000，厚度为4mm，拉伸强度为5MPa，断裂伸长率为800％,邵氏硬度为0A。
所述的聚氨酯表面层3的聚氨酯型号为RP8400，厚度为2mm，拉伸强度为6MPa，断裂伸长率为650％，邵氏硬度为5A。
所述的剪切增稠液中聚乙二醇分子量为200，SiO2粒子的粒径为20nm。
所述的柔性硅胶中间层2内部通孔4为条形槽，所述条形槽宽度为2mm，长度与聚氨酯表面层3纵向长度相同，深度为4mm，按间距8mm等距阵列。
本发明提供的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料的制备方法，包括以下步骤：
一、制备剪切增稠液
称取分子量为200的聚乙二醇和粒径为20nm的SiO2粒子，所述的聚乙二醇和SiO2粒子的质量百分比分别为50％，采用机械搅拌的方式在聚乙二醇中边搅拌边加入SiO2粒子，搅拌时间4h，搅拌速率60r/min，当SiO2粒子全部溶入后，在超声搅拌器中进行超声分散1h，随后在温度30℃的真空干燥器中进行真空加热干燥2h，得到SiO2粒子质量分数为50％的剪切增稠液；
二、制备柔性硅胶基底层1
将液态AB硅胶灌注在深度为2mm的预制模具中，在温度50℃条件下凝固10h成型，得到厚度为2mm的柔性硅胶基底层1；
三、制备柔性硅胶中间层2
将液态AB硅胶灌注在深度为4mm的预制模具中，在温度50℃条件下凝固10h成型，得到厚度为4mm的柔性硅胶中间层2，然后对柔性硅胶中间层2进行冲孔，形成宽度为2mm、长度与聚氨酯表面层纵向长度相同、深度为4mm、按间距8mm等距阵列的竖向条形槽；
四、制备聚氨酯表面层3
将液态聚氨酯灌注在深度为2mm的预制模具中，在温度50℃条件下凝固10h成型，得到厚度为2mm的聚氨酯表面层3；
五、胶合与封装剪切增稠液
采用压力粘接的方法将步骤三制得的柔性硅胶中间层2的底部与步骤二制得的柔性硅胶基底层1通过粘接剂进行粘接；然后将步骤一制得的剪切增稠液分别灌注到柔性硅胶中间层2的每个通孔4中；最后采用压力粘接的方法将柔性硅胶中间层2的顶部与步骤四制得的聚氨酯表面层3通过粘接剂进行粘接，将剪切增稠液封装在柔性硅胶中间层2的每个孔中；
步骤二中的AB硅胶型号为HC9010；步骤三中的AB硅胶型号为HC9000；步骤四中的聚氨酯型号为RP8400；
步骤五中所述的压力粘接方法的压力为0.5MPa，粘接时间为10min；所述的粘接剂为型号为KD-866的硅胶胶水。
将本实施例提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料附着于测试基体表面，在水槽压力实验中，在0.5m/s～0.8m/s不同流速下，可测得形成仿生条纹形凸包5的条纹变构高度为0.5mm～1.9mm。经过流场阻力实验测试，在1m/s流速下，与光滑表面相比，本实施例提供的仿生智能自适应动态变构减阻材料减阻提升了7％以上。
Claims (6)
1.一种仿生智能自适应动态变构减阻材料，其特征在于：包括柔性硅胶基底层、柔性硅胶中间层、聚氨酯表面层和剪切增稠液，所述的柔性硅胶中间层内部设有竖向的通孔，通孔内填充有剪切增稠液，柔性硅胶中间层密封胶粘于柔性硅胶基底层和聚氨酯表面层之间；所述的剪切增稠液为聚乙二醇与纳米SiO2粒子组合液，SiO2粒子在剪切增稠液中的质量分数为35％～65％。
2.根据权利要求1所述的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料，其特征在于：所述的柔性硅胶基底层的硅胶型号为HC9010，厚度为1mm～5mm，拉伸强度为5MPa～8MPa，断裂伸长率为600％～800％，邵氏硬度为10A～20A；
所述的柔性硅胶中间层的硅胶型号为HC9000，厚度为1mm～30mm，拉伸强度为4MPa～7MPa，断裂伸长率为800％～1000％，邵氏硬度为0A～5A；
所述的聚氨酯表面层的聚氨酯型号为RP8400，厚度为1mm～5mm，拉伸强度为8MPa～15MPa，断裂伸长率为500％～600％，邵氏硬度为5A～10A。
3.根据权利要求1所述的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料，其特征在于：所述的剪切增稠液中聚乙二醇分子量为200～400，SiO2粒子的粒径为20nm～40nm；
所述的柔性硅胶中间层内部通孔为竖向柱状孔，孔内径为0.2mm～10mm，深度为1mm～30mm，按中心距2mm～40mm等距阵列；
所述的柔性硅胶中间层内部通孔为条形槽，所述条形槽宽度为0.2mm～10mm，长度与聚氨酯表面层纵向长度相同，深度为1mm～30mm，按间距1mm～40mm等距阵列。
4.一种仿生智能自适应动态变构减阻材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、制备剪切增稠液
称取分子量为200～400的聚乙二醇和粒径为20nm～40nm的SiO2粒子，所述的聚乙二醇和SiO2粒子的质量百分比分别为35％～65％和35％～65％，采用机械搅拌的方式在聚乙二醇中边搅拌边加入SiO2粒子，搅拌时间3h～5h，搅拌速率30r/min～120r/min，当SiO2粒子全部溶入后，在超声搅拌器中进行超声分散1h～2h，随后在温度30℃～40℃的真空干燥器中进行真空加热干燥2h～3h，得到SiO2粒子质量分数为35％～65％的剪切增稠液；
二、制备柔性硅胶基底层
将液态AB硅胶灌注在深度为1mm～5mm的预制模具中，在温度30℃～50℃条件下凝固5h～12h成型，得到厚度为1mm～5mm的柔性硅胶基底层；
三、制备柔性硅胶中间层
将液态AB硅胶灌注在深度为1mm～30mm的预制模具中，在温度30℃～50℃条件下凝固5h～12h成型，得到厚度为1mm～30mm的柔性硅胶中间层，然后对柔性硅胶中间层进行冲孔，形成内径为0.2mm～10mm、深度为1mm～30mm、按中心距2mm～40mm等距阵列的竖向柱状孔，或形成宽度为0.2mm～10mm、长度与聚氨酯表面层纵向长度相同、深度为1mm～30mm、按间距1mm～40mm等距阵列的竖向条形槽；
四、制备聚氨酯表面层
将液态聚氨酯灌注在深度为1mm～5mm的预制模具中，在温度30℃～50℃条件下凝固5h～12h成型，得到厚度为1mm～5mm的聚氨酯表面层；
五、胶合与封装剪切增稠液
采用压力粘接的方法将步骤三制得的柔性硅胶中间层的底部与步骤二制得的柔性硅胶基底层通过粘接剂进行粘接；然后将步骤一制得的剪切增稠液分别灌注到柔性硅胶中间层的每个孔中；最后采用压力粘接的方法将柔性硅胶中间层的顶部与步骤四制得的聚氨酯表面层通过粘接剂进行粘接，将剪切增稠液封装在柔性硅胶中间层的每个孔中。
5.根据权利要求4所述的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料的制备方法，其特征在于：步骤二中的AB硅胶型号为HC9010；步骤三中的AB硅胶型号为HC9000；步骤四中的聚氨酯型号为RP8400。
6.根据权利要求4所述的一种仿生智能自适应动态变构减阻材料的制备方法，其特征在于：步骤五中所述的压力粘接方法的压力为0.1MPa～1MPa，粘接时间为2min～10min；所述的粘接剂为型号为KD-866的硅胶胶水。
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